单缸往复式压缩机的原理与惯性力分析

1、单缸往复式压缩机的原理与惯性力分析李宏1 ,胡氢2(1平顶山工业职业技术学院，河南 平顶山467001; 2.平顶山工学院，河南 平顶山467000)摘要：本文阐述了单缸往复式压缩机的工作原理，对压缩机的主要运动部件进行了运动分析，详细 讨论了单缸往复式压缩机产生振动的惯性力，为压缩机的研究设计提供理论参考依据。关键词：单缸往复式压缩机运动分析惯性力分析An Analysis of Working Principle of the Single-cylinderReciprocating Compressor and Inertia ForceLI Hong 1,HU Qi ng 2(1.Pi

2、 ngdi ngshan In dustrial College of Tech nology,Pi ngdi ngshan 467001,Chi na;2. Pin gdi ngsha n In stitute of Tech no logy. Pingdin gsha n 467000,Ch ina)Abstract: Is this article,the working principle of the single-cylinder reciprocating compressor is introduced, and the moveme nt of the mai n parts

3、 of the compressor is an alyzed as well. The in ertia force caus ing the vibration of the single-cylinder reciprocating compressor is also discussed in detail. In the end it provides a theoretical basis for the research and desig n of the compressor.Key words: sin gle-cyli nder reciprocati ng compre

4、ssor; moveme nt an alysis;in ertia force an alysis0引言往复式压缩机是用来提高气体压力和输送压力气体的机械，从能量转换来看，压缩机的工作过 程是将原动机的动力能转化为气体的压力能。在压缩机工作过程中会产生较大的振动和噪声，本文 主要是阐述单缸往复式压缩机的工作原理及工作中产生振动的激振力分析。1 单缸往复式压缩机的原理单缸往复式压缩机是一种能量转化机械，它凭借驱动机的能量提高气体 压力。如图1所示，通过曲柄连杆机构，把驱动机的旋转运动转化为活塞的往 复运动，从而对气体作功，提高气体压力。单缸往复式压缩机的气体循环包 括三个过程：进气、压缩和排气

5、过程。进气过程开始时，活塞3向远离阀门方向运动，当气缸内的气体压力小于大气压力Po时吸气阀8打开，排气阀1保持关闭，外界空气由吸气阀门进入气缸。当活塞3运动到距阀门最远的位置时，该过程结束，压缩机转入压缩过程。压缩过程开始后，吸气阀8关闭，整个气缸是封闭状态，活塞 3向阀门方向运动，气缸内部气体被压缩。当气缸内 部气体的压力大于排气阀1外部压力p之后，压缩机由压缩过程向排气过程转 化。在排气过程中，吸气阀 8保持关闭，气缸内部气体的压力推开排气阀1，高压气体排出气缸。活塞 3运动到距阀门最近的位置时，排气过程结束。压 缩机随活塞3的往复运动周而复始地重复进气、压缩、排气三个过程，以完 成压缩机

6、的正常工作。图1单缸往复式压缩机的工作原理图1 排气阀2 气缸3 活塞4 活塞杆5 滑块6 连杆7曲柄 8吸气阀 9阀门弹簧2单缸往复式压缩机的运动分析和惯性力分析单缸往复式压缩机部件多，其运动部件的运动形式复杂，各个部件都不可避免的引起压缩机的 振动。但是，这些部件对压缩机振动的影响有大有小，压缩机的实际振动主要由运动部件引起。本 节将对单缸往复式压缩机的惯性力简要进行理论分析。2.1单缸往复式压缩机的组成部分及曲柄连杆机构的运动分析单缸往复式压缩机的主要组成部分及运动分析在基本结构上，单缸往复式压缩机主要由以下三个大部分组成1）传递动力部分一一曲柄、连杆、活塞和活塞销等。2）工作气体进、出

7、通道及密封部分一一气缸、进气阀、排气阀、阀片、活塞环、填料及气料调 节装置。3）辅助部分一一水、气、油三路的各种冷却器、缓冲器、分离器、油泵、安全阀及各种管路系 统。上述三大部分是往复式压缩机工作时产生振动的主要振源当压缩机运转的时候，作用于运动结 构上的力主要有三种：惯性力、气体压力对作用部件所产生的作用力和相对运动表面之间的摩擦力。各个机件本身的重力其作用相对来说比较小，可以忽略不计。下面对各部件的受力情况做详细分析。往复式压缩机的运动部件主要是曲柄连杆机构。曲柄在外界动力的驱动下作旋转运动，再通过 连杆的摆动转化为活塞的往复运动。为了方便研究机构的运动，我们把连杆的运动简化为两个质点 的

8、运动，如图2所示，即看作一部分部件随曲柄销中心点B运动，另一部分随活塞销（或十字头销）的中心点A运动，AB之间总是保持着连杆长度 丨的距离。因此，曲柄连杆机构的运动主要是研究 点的运动，即活塞的运动和曲柄销的运动。2.1.2 单缸往复式压缩机活塞运动的位移、速度和加速度活塞运动的位移、速度、加速度可以从曲柄连杆机构的几何关系和运动关系中确定。图 点为曲柄的旋转中心，B点为曲柄销中心，A点是活塞销中心，0B是曲柄长度，（用r表示），AE是连杆长度（用丨表示），连杆和气缸中心线的 夹角为3 ° r和丨是曲柄连杆机构的主要结构参数。取r与丨的比值为入，即 r/丨。活塞离曲柄最远的位置 （A

9、 点）为外止点，最近的位 置（D点）为内止点。A D为活塞的行程（用s表示，s=2r）。曲柄的瞬 时位置以曲柄与气缸中心线的夹角二表示，从外止点算起，在任意转角 二瞬时，活塞离外止点的位移 x为：由上式可以看出，活塞的位移x是日角的函数。活塞的运动速度可以由下式求出。dx dx v = dt drA、B两2中，0士 / . .- sin2二、drr（si n ）dt2&-丸2 sin2 日 dt曲柄的转动可以认为是等速的，d日=«dtvsi n2 二v = r（sin） 2J1 - 丸2 sin2 日活塞的运动速度 v仍然是二角的函数。活塞的运动加速度为:曲柄销绕曲柄中心以角

10、速度-必做等速旋转运动，其中心点2.2单缸往复式压缩机引起振动的惯性力分析B的向心加速度ar为:上面是曲柄连杆机构的运动分析，下面来讨论往复式压缩机中引起振动的质量惯性力。曲柄连 杆机构中的惯性力主要包括三个方面：一是曲柄不平衡的旋转质量所产生的离心惯性力；二是活塞往复运动所产生的惯性力；三是连杆运动所产生的惯性力。如图3所示，不平衡质量 ms的偏心为e,该质点在各坐标轴的投影为: 其运动速度为：图芦不平;运动加速度为：；所以，质量 ms在X, Y和Z方向的离心力为：'由于曲柄的旋转是等角速度的，转速为常数，故离心力为：由旋转产生的离心力可以通过在偏心质量的相反方向安装适当的平衡校正质

11、量块予以抵消;衡块的质量取决于不平衡质量和平衡块到转轴中心的距离。活塞做往复运动产生的惯性力是由运动质量块质量m和加速度a决定的，即衡质量示意图往复式压缩机的质量惯性力是由做往复运动的组件产生的往复惯性力和做旋转运动的组件产生 的旋转惯性力构成。为了方便研究曲柄连杆机构的质量惯性力，我们将曲柄、连杆和活塞的质量等 效到O A和B点上，等效后系统的惯性力和等效前的相等。由于曲柄上的0点是固定点，所以在 0点的质量 叫=0;曲轴不平衡质量 ms集中在B点；连杆是活塞和曲轴之间的传动件，其运动形态复 杂，需要做等效处理。由图 2可知，连杆的长度为I，其重心S到B的距离为s ,将连杆的质量 me 用A

12、点meA和B点meB的质量代替系统来替换，在转换过程中，根据总质量在转化前后保持不变和连杆的质心在转化前后也不变这两条原则进行，可得一下式由上式可以解得:mCAmCmCB-Sme;活塞组件的质量叫集中在A点。整个曲柄连杆机构经过等效转化后，产生惯性力的质量集中在活塞销 A和曲柄销B两点上，即mA = mp m：A，mB - ms ' Cb。下面分析经过质量等效替换后的曲柄连杆机构的惯性力。如图 方向来分析惯性力：2所示，可以从X轴和Y轴两个Xaa = « 00COSTcos t1爲rB = rsinT=<sin cot ，0LJ上式中，A、B分别为A, B两点在坐标系上

13、的投影。Fx (t)是作用在沿气缸轴线方向的惯性力，Fy (t)则是垂直于气缸轴线方向的力。在上面的公式中，令 QA = mAr, QB = mBr，贝U在图2所示的坐标系中，可以利用曲柄连杆机构的几何关系把力Fx和Fy表示成曲柄转角v的函数。在上边的惯性力表达式中：V - - t Tl0曲柄连杆机构在 X Y平面内运动将产生垂直于该平面，即Z轴方向的扭矩 Mz，它是曲柄旋转角的函数其中 v _ 't 丸质量惯性力通过主轴承和机体传出，将其称为外力，它随着曲轴的转动发生周期性变化，是压 缩机的激振源，在压缩机的设计中，要采取有效的平衡措施，使机器振动降低到允许的范围内。此 外，Z轴方向

14、上的扭矩 Mz,也不能完全平衡掉，它对运行中的压缩机也产生一定的激振作用。气体压力是指压力气体作用在承压面上的作用力，该力同时作用在活塞和气缸盖上，大小相等，方向相反，在机器内部相互平衡，可以看作是内力。相对运动表面之间的摩擦力分往复摩擦力和旋转摩擦力，活塞与气缸壁、活塞杆与填料、十字 头与滑道等之间的相对运动表面产生往复摩擦力；活塞销(或十字头销)与连杆小头、曲柄销与连杆大头、主轴颈与主轴承之间产生旋转摩擦力。摩擦力是成对出现的，一方面通过运动机构传递到主 轴承上，另一方面也通过气缸壁和机身传递到主轴承上，这两方面的力大小相等，方向相反，可以 互相抵消，也是一个内力。3结语质量惯性力是压缩机的激振源，在压缩机的设计中，要采取有效的平衡措施，使机器振动降低 到允许的范